三、消参

一般情况下,我们为了解决问题而引入参数,再由几何条件获得参数与常数之间的代数关系,接下来就要根据要解决的问题消参(消元)了,从表面看,只是考查运算能力,但实际上,如果对运算目标、运算路径、运算算理的理解等不到位,那么,不只是影响运算速度和准确性,更有甚者,理论上可以完成的运算,实际操作中却无法完成.因此,消参看似运算问题,实际上是对知识和算理的理解能力.

例9 已知点A(-1,0)是抛物线上一定点,B、C是其上的动点,且,当点B运动时,求点C横坐标的取值范围.

【分析】第一步,审题:明确已知和所要解决的问题是什么.

“已知点A(-1,0)是抛物线上一定点”“点的坐标适合方程”,

“B,C是其上的动点”,则

要解决的问题:求的变化范围.

第二步,思路分析

由于这是一类求参数范围的问题,求范围问题的一般思路是利用函数思想,也就是需建立与其他参数之间的函数关系,由于有三个变量,所以,需要消元,转化为一元,由于,这样就可以化为形如的一元函数了,接下来问题转化为求这个函数的值域就可以了.

第三步,运算求解

确定运算目标.目标是得到,从而,由等式出发,利用消去,由于,恒等变形为

由题意,,得

时,利用基本不等式可得,

时,利用基本不等式可得,

第四步,检验结果

时,,成立;当时,,成立.

所以,C点横坐标的取值范围是

第五步,反思归纳

这是一道典型的解析几何问题,即用代数方法求曲线上一动点横坐标的范围,从解题思路角度,需要将所求问题坐标化,因此,需要引入参数(点参),将几何条件代数化,为了解决问题,又需要消去参数,这就需要选择运算方向,运算手段,但整个过程,都是围绕建立的一元函数这一目标展开,进而转化为一元函数的最值问题了.

例10 如图,已知抛物线的焦点为F.过点的直线交抛物线于两点,直线AF,BF分别与抛物线交于点M,N.记直线MN的斜率为,直线AB的斜率为.

(Ⅰ)求的值;(Ⅱ)证明:为定值.

【分析】第一问所求的问题是求的值,是什么呢?是过定点的直线与抛物线的两个交点A,B的纵坐标.

思路1 引入直线AB的斜率作为参数,设直线AB的方程为

将其代入抛物线方程,消去,整理得

由于,由已知,根据根与系数关系,

思路2 由于是过定点的直线与抛物线的两个交点A,B的纵坐标,点在抛物线上,即

,①

,②

又知点A,P,B三点共线,即,③

只需由①②③消去即可,即,将代入③,得

时,

时,

可见,虽然几何条件代数化的途径不同,但只要理解解析几何的基本思想,等价转化,在明确问题的基础上,选择恰当运算路径,就能顺利达成目标.

(Ⅱ)首先,明确问题,即“证明”,其中

, 则

要证明比值为常数,就需要消元,8个参数,将)表示,

此时,上式含有4个参数,如何进一步减少参数的个数呢?

M,N两点不只在抛物线上,还有A,F,M三点共线(或直线AF与抛物线的交点),

设直线AM的方程为,将其代入,消去

整理得 ,由根与系数关系,所以

同理可得

,到此,减为只含两个参数.

由(Ⅰ)得,故 ,为定值,命题的证.

以下再举几个典型的消参的例子,请读者体会消参的基本思路.

例11 如图,椭圆C:短轴的左右两个端点分别为A、B,直线l:与x,y轴分别交于E、F两点,与椭圆交于C、D两点.

(Ⅰ)若,求直线l的方程;

(Ⅱ)设直线AD,CB的斜率分别为

,求k的值.

【分析】(Ⅰ)此问题是求直线的方程,也就是求出k的值,而要求出k值,只需要建立关于k的一元方程即可,显然,此方程可由条件得到,因此,可设

, ①

,得

,即

,②

由①②消去,可得

(Ⅱ)此问题的思路很清楚,就是由,建立关于k的方程.

由于,所以

,得

此时,式子中含有四个参变量,如何消参成为关键.

显然,应将转化为.将转化为,一般有两种途径,一种方法是由进行转化,一种方法是由进行转化.第一种途径是一次式,运算量较少,但含有参数.第二种途径虽然没有含参数,但是二次式,运算稍微复杂一些.下面我们比较一下两种消参方法.

第一种方法:由,及,得

,接下来整理,但无论如何,很难出现只含有的式子,运算受阻!

第二种方法:利用消元.

但两式均为二次式,但可以将已知式平方得

由已知,代入上式,

计算得,即

此时,就可以利用根与系数关系的结论求解了.

所以,解得,或

因为,所以异号,

故舍去,所以.

通过两种方法的比较,进一步体会消参时,应克服定势思维,一味的通过直线方程消参,而应看到,既然是交点,它也在二次曲线上,也可以利用二次式进行消元,每种方法各有利弊,做题时应根据具体问题灵活选择.

例12 已知曲线

(Ⅰ)若曲线C是焦点在x轴点上的椭圆,求m的取值范围;

(Ⅱ)设m=4,曲线C与y轴的交点为A,B(点A位于点B的上方),直线y=kx+4与曲线C交于不同的两点M、N,直线y=1与直线BM交于点G.求证:A,G,N三点共线.

【分析】(Ⅱ)要证明的问题是“A,G,N三点共线”,即只需证明 “”即可. 由于MN是直线与椭圆的交点,

联立

时,设

此时有

由于直线MB的方程为,令得,

要证明,从上式结构看,直接证明是困难的,因为中本质上只含有参数

中本质上只含有参数,但已知条件是关于的关系的,所以,把证明左右两边相等关系转化为它们的差为零或商为1,即通过运算建立之间的关系,这就是转化的思想.

由于,

所以,即

为了掌握不同的消元思路与方法,我们对本题的第二问做如下变式:

(Ⅱ)设m=4,曲线C与y轴的交点为A,B(点A位于点B的上方),直线y=kx+4与曲线C交于不同的两点M、N,求证:直线AN与直线BM的交点在一条定直线上.

如何证明两直线的交点在一条定直线上呢?

由于两条直线均为动直线,我们先可以通过特殊位置对定直线做一个初步的判断.根据图形的对称性,k互为相反数的两条直线的交点关于y轴对称,所以,定直线一定是平行于x轴的.有了这样一个大方向,我们就能有的放矢的做相应的运算了.

联立,得

时,

直线AN方程为

直线BM方程为

联立两条直线后,我们消参的方向是得到y等于某一常数,所以

①÷②联立,得

这时,无法使用韦达定理,运算受阻了!

消参方向(一)如果能先探求出定值是什么,我们就可以利用运算进行证明了.如何获得这条定直线呢?考查极限情况,当直线与椭圆相切时,,解得,此时,,则.(此结论也可以在第一象限通过求导获得).

如果事先知道定直线一定是,那么

即要证明

由于

由韦达定理

命题的证.

消参方向(二)

当两条直线联立得到后,为了得到常数,我们可以换一个方向思考,即不是将式子利用韦达定理转化为k的表达式,而是把k转化为关于的表达式.

,得

,代入上式化简,得

通过上述问题解决过程,读者是否对消参策略有了新的认识呢?